Управляющие вычислительные комплексы для промышленной автоматизации

Информатика в техническом университете 

 

Информатика в техническом университете 

Серия основана в 2000 году 

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ: 

академик РАН И.Б. Федоров — главный редактор 
д-р техн. наук И.П. Норенков — зам. главного редактора 
д-р техн. наук В.В. Девятков 
д-р техн. наук И.П. Иванов 
д-р техн. наук В.А. Матвеев 
канд. техн. наук Н.В. Медведев 
д-р техн. наук В.В. Сюзев 
д-р техн. наук Б.Г. Трусов 
д-р техн. наук В.М. Черненький 
д-р техн. наук В.А. Шахнов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана 
2012 

УДК 004:658.5.011(075.8) 
ББК 65.050.2 
У67 

А в т о р ы :  
Н.Л. Прохоров, Г.А. Егоров, В.Е. Красовский,  
А.М. Андреев, Я.А. Рейзман  

Р е ц е н з е н т ы: 
академик РАН А.Л. Стемпковский;  
д-р техн. наук, проф. Л.Г. Гагарина 
 
            
    Управляющие вычислительные комплексы для промышленной  
автоматизации : учеб. пособие / [Н. Л. Прохоров и др.]; под ред.  
Н. Л. Прохорова, В. В. Сюзева. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 
2012. —  372, [4] с. : ил. — (Информатика в техническом университете)  

ISBN 978-5-7038-3521-0 

Рассмотрены технические и программные средства управляющей вычислительной 
техники, широко внедряемые для автоматизации технологических про-
цессов в промышленной и непромышленной среде. Описаны промышленные 
контроллеры, управляющие вычислительные комплексы и локальные промышленные 
вычислительные сети, обеспечивающие построение современных многоуровневых 
распределенных систем управления. 
Содержание книги соответствует курсу лекций, читаемых в МГТУ  
им. Н.Э. Баумана. 
Для студентов, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная 
техника» и специальностям «Управление и информатика в технических 
системах», «Автоматизация технологических процессов и производств». Может 
быть полезно аспирантам и инженерно-техническим работникам, занимающимся 
автоматизацией технологических процессов и производств. 
 
УДК 004:658.5.011(075.8)                    
ББК 65.050.2 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-3521-0  
            
          МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012 

У67 

1.1. Особенности построения промышленных УВК 

 
5 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ ............................................................................................................  7 
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ .................................................................  9 
ВВЕДЕНИЕ .....................................................................................................................  15 
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНИКУ ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИ- 
                   ЗАЦИИ ..........................................................................................................  19 
1.1. Особенности построения промышленных управляющих вычислитель- 
       ных комплексов ...................................................................................................  19 
1.2. Этапы развития технологии промышленной автоматизации ..........................  29 
1.3. Основные тенденции современной технологии автоматизации .....................  36 
Вопросы для самоконтроля .......................................................................................  44 
Глава 2. ПРОМЫШЛЕННЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ.................................................  45 
2.1. Общие принципы построения промышленных контроллеров ........................  45 
2.2. Основные типы контроллеров ............................................................................  69 
2.3. Технологическое программирование промышленных контроллеров ............  83 
2.4. Настройка закона регулирования .......................................................................  91 
2.5. Примеры разработок ПЛК .................................................................................  97 
Вопросы для самоконтроля ......................................................................................  132 
Глава 3. УПРАВЛЯЮЩИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ .............  134 
3.1. Общие сведения ..................................................................................................  134 
3.2. Управляющие вычислительные комплексы СМ1820М ..................................  137 
3.3. Построение систем управления на базе СМ1820М .........................................  155 
3.4. ВСТ-СКВ-метод проектирования микропроцессорных систем .....................  158 
3.5. Управление на основе методов нечеткой логики ............................................  168 
3.6. Интегрированная технология создания автоматизированных систем  
       контроля и управления  ......................................................................................  171 
Вопросы для самоконтроля ......................................................................................  184 
Глава 4. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ ....................................................................  185 
4.1. Локальные промышленные сети .......................................................................  185 
4.2. Реализация промышленных сетей .....................................................................  192 
Вопросы для самоконтроля ......................................................................................  205 
Глава 5. ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ .............  206 
5.1. Классификация систем реального времени ......................................................  206 
5.2. Требования к системам реального времени .....................................................  209 
5.3. Показатели производительности систем реального времени .........................  213 
5.4. Архитектура ОСРВ .............................................................................................  217 
5.5. Функциональные требования к ОСРВ ..............................................................  220 
5.6. Стандарты ОСРВ ................................................................................................  221 
5.7. Процессы и потоки .............................................................................................  225

 

Оглавление 

 
6 

5.8. Планирование задач в ОСРВ .............................................................................  228 
5.9. Взаимодействие процессов ................................................................................  232 
5.10. Управление памятью ........................................................................................  238 
5.11. Обзор ОСРВ ......................................................................................................  239 
Вопросы для самоконтроля ......................................................................................  259 
Глава 6. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ 
                  АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 
                  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ...........................................  260 
6.1. SCADA-системы .................................................................................................  260 
6.2. Системы управления базами данных ................................................................  276 
Вопросы для самоконтроля ......................................................................................  278 
Глава 7. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ  
                   КОНТРОЛЛЕРОВ И УПРАВЛЯЮЩИХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ  
                   КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАН- 
                   НЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ .............................................................  279 
7.1. Современная концепция АСУ производством .................................................  279 
7.2. АСУТП «Обжиговая машина» ..........................................................................  285 
7.3. Автоматизированная система контроля энергоресурсов ................................  302 
7.4. АСУ подготовкой газа ........................................................................................  305 
7.5. АСУ подъемно-транспортным оборудованием на горнодобывающих  
       и обогатительных предприятиях .......................................................................  309 
7.6. Принципы построения отказоустойчивых УВК ..............................................  313 
7.7. Ближайшие перспективы совершенствования систем и технологий 
       промышленной автоматизации .........................................................................  317 
      Вопросы для самоконтроля ......................................................................................  323 
ЛИТЕРАТУРА ...............................................................................................................  324 
ПРИЛОЖЕНИЯ ............................................................................................................  327 
П1. Набор инструкций микроконтроллера SAB-C166 ..........................................  327 
П2. Библиотека алгоблоков системы программирования CONField ...................  334  
П3. Малоканальные контроллеры СМ9107 ............................................................  344 
П4. Описание интерфейса CompactPCI ..................................................................  347  
П5. Сравнение промышленных сетей .....................................................................  359 
П6. Лабораторная работа. Система программирования промышленных  
       контроллеров CONField ....................................................................................  365 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

1.1. 
 
7 


-
— (), -
, , -
«-
» «». -
, , (). 
«» (.: -
, 2003). 
1 . . 
2 (), . , , -
. -
, -
() . 
3 1820, -
-
.  
4 , -
, -
. -
. 
5 () (), , , -
 . -
. , QNX. 
6 (SCADA-()), -
— , , . -
SCADA-. 

 

7 -
. .  
CompactPCI, 
, . -
. 
, 
, -
. , -
.  
«. .. », -
, -
. .. . , -
. .. . 
«
. .. » .. , .. , .. , .. . 
.. -
. 
, , -. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.1. 
 
9 


—
—
—
—
—
—
-—
—
—
—
—
—
—
-—
—
() —
— —
—
—
—
—
-—
—
—
—
—
—
+ + [-
] 
—
—
—
—
—
—
—
—
-—   
 

 
10

— — — -— — — — -— — — — — -— — -— ADC 
— Analog-to-Digital Converter — -
ANSI 
— American National Standards Institute — -

APEX 
— Advanced Processor Extension [bus] — -

API 
— Application Programming Interface — -
[, -
] 

ARM 
— ARM 

ASCII 
— American Standard Code for Information Interchange — 
ATA 
— Advanced Technology Attachment — ATA [IDE] 

— Asynchronous Transfer Mode — -
[(, , ) ] 

BIOS 
— Basic Input/Output System — -
CASE 
— Computer Aided Software Engineering — -

CD-ROM 
— Compact Disk Read-Only Memory — -
CORBA 
— Common Object Request Broker Architecture — () [] 

COTS 
— Commercial Of The Shelf — 
cPCI 
— CompactPCI — 
CPU 
— Central Processor Unit — 
DAC 
— Digital-to-Analog Converter — 
DDE 
— Dynamic Data Exchange — [] -
[] 

Список основных сокращений 

 
11

DDR 
SDRAM 

— Double Data Rate SDRAM — SDRAM с удвоенной скоростью  
обмена 

DIN 
— Deutsche Institut für Normung — Немецкий институт стандартов 

DLL 
— Dynamic Link Library — динамически подключаемая библиотека 

DMA 
— Direct Memory Access — прямой доступ к памяти 

DRAM 
— Dynamic RAM — динамическая память с произвольным доступом, 
динамическое ОЗУ 

DSP 
— Digital Signal Processor — процессор цифровой обработки сигналов 

DVD 
— Digital Versatile Disk — цифровой многофункциональный диск 
[стандарт на компакт-диски] 

EBX 
— Embedded Board, eXpandable — встраиваемый модуль, расширенный [
стандарт для встраиваемых решений] 

EIA 
— Electronics Industries Association — Ассоциация электронной промышленности 


EIDE 
— Enhanced Integrated Drive Electronics — усовершенствованный дисковод 
со встроенным контроллером [стандарт интерфейса накопителей] 


EPIC 
— Embedded Platform for Industrial Computing — стандарт для встраиваемых 
решений 

EPROM 
— Electrical Programming Read Only Memory — ПЗУ с электрической 
перезаписью, ЭППЗУ 

FBD 
— Functional Block Diagram — функциональные блок-схемы [графический 
язык программирования ПЛК] 

FDDI 
— Fiber Distributed Data Interface — интерфейс для передачи распределенных 
данных по волоконно-оптическим каналам [стандарт FDDI] 

FEPROM 
— FlashEPROM 

FIFO 
— First In, First Out — первым вошел, первым обслужен [порядок 
обслуживания типа «очередь»] 

FROM 
— FlashROM 

GPS 
— Global Positioning System — система глобального позиционирования [
через спутниковые ретрансляторы] 

GUI 
— Graphical User Interface — графический интерфейс пользователя 
[программа, позволяющая осуществлять визуализацию данных] 

HA 
— High Availability — высокая готовность 

IA-32 
— Intel Architecture-32 bit — общее обозначение совместимой сверху 
вниз 32-разрядной архитектуры процессоров 80386, 80486, Pentium, 
Celeron и Xeon фирмы Intel 

IBM 
— International Business Machines Corp. — фирма IBM 

Список основных сокращений 

 
12

IBM PC 
—
IBM Personal Computer — персональный компьютер типа IBM 

IDE 
—
Integrated Drive Electronics — встроенный интерфейс накопителей 

IEC 
—
International Electrotechnical Commission — Международная электротехническая 
комиссия, МЭК 

IEEE 
—
Institute of Electrical and Electronics Engineers — Институт инженеров 
по электротехнике и радиоэлектронике, США 

IPC 
—
Inter-Processor Communications — межпроцессорная связь 

IRQ 
—
Interrupt Request Line — линия запроса прерывания 

ISA 
—
Industry Standard Architecture — архитектура промышленного 
стандарта [другое название AT-Bus — стандарт шины компьютеров 
типа PC AT] 

ISO 
—
International Organization for Standardization — Международная 
организация по стандартизации 

ISR 
—
Interrupt Service Routine — процедура обработки прерывания 

IT 
—
Information Technology — информационные технологии, ИТ 

I2C 
—
Inter integrated Circuit — тип последовательного интерфейса 

LAN 
—
Local Area Network — локальная вычислительная сеть 

MFLOPS 
—
Million Floating-Point Operations Per Second — миллион операций с 
плавающей точкой в секунду [единица быстродействия процессора] 

MIPS 
—
1) Million Instruction Per Second — миллион команд в секунду [единица 
быстродействия процессора] 

2) Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages — микропроцессор 
без аппаратных блокировок между ступенями конвейера 

MMI 
—
Man-Machine Interface — человеко-машинный интерфейс [интерфейс 
оператора] 

MMU 
—
Memory Management Unit — устройство управления памятью 

MMX 
—
MultiMedia eXtension — [набор инструкций для] мультимедиа 
расширения 

MS Win-
dows 

—
операционная система Windows фирмы Microsoft 

NFS 
—
Network File System — сетевая файловая система [набор протоко-
лов для доступа к файловой системе] 

NVRAM 
—
NonVolatile RAM — энергонезависимая RAM [подпитывается от 
аккумуляторной батарейки] 

ODBC 
—
Open DataBase Connectivity interfaсe — открытый интерфейс взаи-
модействия с базами данных 

OEM 
—
Original Equipment Manufacturer — компания поставщик ПО